豆詩磊,王 爽
(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院,南京 210014)
顯微鏡是觀察微觀世界不可缺少的工具,一般應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、微觀粒子等觀測。傳統(tǒng)的顯微鏡操作主要是通過操作人員手動操作,存在精確操作難度大等缺點(diǎn)[1],無法滿足人們對顯微鏡自動成像以及自動化測量的要求[2]。針對顯微鏡載物臺的高精度電動位移控制,電控部分本文采用步進(jìn)電機(jī)103H5205-5210、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器TMC5130、光柵尺M(jìn)ercuryⅡTM6510和處理器STM32F407組成的控制器,實(shí)現(xiàn)4通道直線運(yùn)動的高精度閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)顯微鏡載物臺的高精度自動測量和精確定位。圖1為系統(tǒng)實(shí)物圖,圖中僅接入一個通道的光柵尺檢測和電機(jī)控制。
圖1 系統(tǒng)實(shí)物圖
針對直線運(yùn)動控制應(yīng)用系統(tǒng)[3-5],步進(jìn)電機(jī)丟步、開環(huán)特性或絲桿自身誤差往往會造成載物臺位移不準(zhǔn)確,本文直線運(yùn)動控制系統(tǒng)中,通過光柵尺讀頭反饋的實(shí)際移動距離和目標(biāo)位置比較的差值,再控制電機(jī)運(yùn)動補(bǔ)償這個差值,從而形成閉環(huán)運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)實(shí)時直線平臺精確定位。本文主要介紹了控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計過程,控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示,此系統(tǒng)具有交互性好、運(yùn)動精度高的特點(diǎn)。
圖2 系統(tǒng)原理框圖
系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示,主要包括STM32控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動及編碼器電路、步進(jìn)電機(jī)、光柵位移傳感器和CAN通信電路。STM32F407處理器通過SPI通信接口方式控制4路步進(jìn)電路和光柵位移傳感器檢測,根據(jù)光柵反饋相對位置,反控步進(jìn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)控制。CAN通信電路用于接收PC軟件控制指令和反饋位移信息,進(jìn)行人機(jī)交互。
圖3 系統(tǒng)硬件總體框圖
本系統(tǒng)采用TRINAMICs兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器TMC5130,通過外置外部晶體管,可實(shí)現(xiàn)高動態(tài)、高扭矩電機(jī)驅(qū)動。先進(jìn)的spreadCycle和stealthChop斬波器,驅(qū)動器可絕對無噪音的運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)最大效率和最佳電機(jī)扭矩控制。并且TMC5130為外部增量編碼器提供編碼器接口,可編程預(yù)分頻器設(shè)置編碼器分辨率以適應(yīng)電機(jī)分辨率。
主控處理器STM32F407通過SPI方式與TM5130通信,REFL_STEP和REFL_DIR分別作為光柵尺左右限位信號輸入,由于SD_M(jìn)ODE=0且SPI_M(jìn)ODE=1,診斷輸出信號DIAG0和DIAG1分別輸出REFL_STEP和REFL_DIR至主控處理器,通過中斷方式判斷光柵位移是否越界以及相關(guān)事件檢測。DRV_ENN為驅(qū)動器使能輸入,當(dāng)該引腳被驅(qū)動到高電平時,所有電機(jī)輸出為懸浮狀態(tài)。ENCA和ENCB為編碼器AB通道輸入,用于檢測AB相正交編碼信號獲取光柵尺輸出脈沖信號數(shù)得到相對位移信息。ENCN為編碼器N通道輸入,用于光柵尺絕對零點(diǎn)參考點(diǎn)判斷,本文中使用的光柵尺反饋的是相對位移數(shù)據(jù),故需進(jìn)行歸零位處理。CLK作為驅(qū)動芯片時鐘輸入。OA1/OA2和OB1/OB2分別為電機(jī)線圈A和B輸出控制信號。TM5130驅(qū)動電路如圖4所示。
圖4 TM5130驅(qū)動電路
本系統(tǒng)采用Sanyo Denki直流步進(jìn)電機(jī)103H5205-5210,雙極,單極步進(jìn),步進(jìn)角度為1.8°,電源電壓為24 V,額定電流為1 A,最大轉(zhuǎn)矩為0.265 N·m[6]。
本系統(tǒng)采用MercuryⅡTM6510光柵,線性分辨率20μm,可編程內(nèi)插參數(shù)從x4到x16384,A-quad-B輸出,帶粘貼式光學(xué)零位和左/右限位,以及警報功能。系統(tǒng)使用光柵內(nèi)插參數(shù)默認(rèn)為x400,即分辨率為50nm/count。使用需要根據(jù)其規(guī)格書進(jìn)行安裝,左右限位標(biāo)記條和絕對零點(diǎn)標(biāo)記條安裝完成后需要使用SmartPrecisionTMAlignment Tool進(jìn)行校準(zhǔn)[5-6],圖5為光柵尺零位和左/右限位校準(zhǔn)界面。
圖5 為光柵尺校準(zhǔn)界面
圖6為光柵尺輸出的編碼器A、B、N相信號,送到TMC5130獲取光柵尺零點(diǎn)位置和相對位移信息。
圖6 光柵尺信號輸出
本系統(tǒng)通過can接口方式通信,方便控制總線掛載新節(jié)點(diǎn),并且can總線具有很強(qiáng)的抗干擾性和數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)特點(diǎn)。圖7為can接收器電路。
圖7 CAN收發(fā)器電路
本文系統(tǒng)中,軟件設(shè)計主要包括TMC5130的SPI配置和閉環(huán)控制邏輯,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器TMC5130配置主要包括步進(jìn)電機(jī)控制配置、編碼器配置、中斷檢測配置。閉環(huán)控制邏輯負(fù)責(zé)自動歸零、位移補(bǔ)償?shù)取?/p>
2.1.1 編碼器配置
本系統(tǒng)中,步進(jìn)角度為1.8°,設(shè)置TMC5130寄存器CHOPCONF(0x6C)中MRES細(xì)分為256微步,即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈,電機(jī)步進(jìn)數(shù)CNTm為:
絲杠的導(dǎo)程為4 mm,光柵線性分辨率為20μm,內(nèi)插參數(shù)為×400,即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)1圈,光柵尺輸出AB相脈沖數(shù)CNTe為:
TMC5130編碼器因子=FSC*USC/encoder resolution,F(xiàn)SC=200(360°/1.8°),USC=256微步,encoder resolution為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈時光柵尺輸出AB脈沖數(shù),故
則TMC5130寄存器ENC_CONST=0×216+0.64×10 000=6 400,TMC5130編碼器相關(guān)寄存器0x38、0x39、0x3A設(shè)置如圖8所示。
圖8 TMC5130編碼器設(shè)置
2.1.2 中斷檢測配置
防止電機(jī)轉(zhuǎn)動超出光柵尺量程,本系統(tǒng)增加光柵尺左右限位檢測,一旦進(jìn)入左右限位段,立即停止電機(jī)轉(zhuǎn)動,并且在限位段內(nèi)禁止向非量程區(qū)域移動。結(jié)合硬件原理圖,系統(tǒng)通過DIAG0輸出左右限位和N事件中斷信號,提高事件響應(yīng)及時性。TMC5130中斷檢測事件通過設(shè)置寄存器0x00的bit7(diag0_step)為1,如圖9所示。
圖9 TMC5130中斷檢測事件設(shè)置
STM32F407中斷檢測管腳interupt_out(圖4)檢測到TMC5130中斷事件后,需要判斷事件類型,如圖10所示,事件類型可通過讀取事件所在寄存器進(jìn)行判別,圖11(a)是N事件判別,圖11(b)是左右限位事件判別。
圖10 DIAG0事件輸出
圖11 事件判別
2.1.3 電機(jī)控制配置
STM32F407通過SPI數(shù)據(jù)配置TMC5130支持步進(jìn)和方向模式,12 mHz時鐘,配置小于30 r/min運(yùn)行stealthChop及大于30 r/min運(yùn)行spreadCycle的斬波器參數(shù),并且使能并初始化運(yùn)動控制器,內(nèi)部斜坡發(fā)生器控制電機(jī)運(yùn)行,如圖12所示。由于電機(jī)運(yùn)動速度太快會導(dǎo)致光柵尺丟幀,所以系統(tǒng)中設(shè)置的電機(jī)加/減速度和速度最大值設(shè)置的閥值偏小,這也滿足顯微鏡載物臺對速度的要求。
圖12 TMC5130電機(jī)運(yùn)行配置
設(shè)備上電后,需要自動找到絕對零點(diǎn)位置,記錄零點(diǎn)位置L0,并且停在零點(diǎn)位置。接收PC控制指令,控制電機(jī)向零點(diǎn)位置的左側(cè)或右側(cè)移動Ld距離,移動至目標(biāo)位置后,讀取光柵尺反饋的實(shí)時位置數(shù)據(jù),計算出移動誤差Le,當(dāng)Le值小于設(shè)置的最大容錯差值時[9,11],此次移動控制結(jié)束,否則繼續(xù)向目標(biāo)位置移動,重復(fù)上述過程直到誤差達(dá)到系統(tǒng)容差[10],詳細(xì)軟件流程如圖13所示。
圖13 軟件控制流程圖
本系統(tǒng)通過QT設(shè)計上位機(jī)控制軟件,實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)CAN對閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制,主要實(shí)現(xiàn)光柵尺歸零、光柵尺細(xì)調(diào)和光柵尺粗調(diào)3個功能,如圖14所示。
圖14 上位機(jī)軟件光柵控制界面
為驗(yàn)證本系統(tǒng)的運(yùn)動位移控制精確度,使用激光干涉儀檢測系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)動下誤差范圍,實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。本文中位移重復(fù)定位精度是光柵尺歸零位后,每一項(xiàng)位移控制重復(fù)測試20次得到的平均定位誤差。
表1 系統(tǒng)閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所設(shè)計的直線運(yùn)動系統(tǒng)閉環(huán)控制平均誤差在±1μm以內(nèi),優(yōu)于其他方案設(shè)計誤差的±5μm[9,11-12]。
本文針對傳統(tǒng)的顯微鏡操手動操作精確差,無法滿足顯微鏡自動成像以及自動化測量的要求,設(shè)計了基于步進(jìn)電機(jī)103H5205-5210、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器TMC5130、光柵尺M(jìn)ercuryⅡTM6510和處理器STM32F407等,實(shí)現(xiàn)了4通道直線運(yùn)動的高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)。由PC上位機(jī)發(fā)送控制指令,處理器根據(jù)光柵反饋位移信息控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。本系統(tǒng)中,步進(jìn)電機(jī)控制和光柵尺AB相解碼均由TMC5130實(shí)現(xiàn),處理器STM32F407主要通過SPI獲取光柵尺反饋信息,再通過SPI控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位移補(bǔ)償,整個方案設(shè)計簡單,工作穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有明顯的高精度定位功能,位移重復(fù)定位精度在±1μm以內(nèi),具有一定的實(shí)用參考價值。